Управление большими системами (стр. 5 из 14)

Ф. Гродинз (1966) предпринял попытку анализа общих принципов организации управляющих систем, наиболее выраженных в биологических системах. Он выделил в управляющем устройстве две-подсистемы—детектор ошибки и собственно регулятор. Первая оценивает рассогласование между фактическим выходным и заданным сигналами. Вторая, получив сигнал ошибки, вычисляет и выдает на выход скорректированную управляющую команду, которая поступает к управляемому объекту (см. схему). Во всех рефлекторных механизмах проявляется управляющее воздействие предыдущих звеньев на последующие.

Блок-схема системы управления с обратной связью

(по Ф. Гродинзу)

Некоторые общие свойства биологической саморегуляции

Так как саморегуляция в биокибернетических системах осуществляется не каким-либо одним управляющим воздействием, которое бы сразу привело управляемый объект в заданное состояние, а состоит из параллельно-последовательных, нередко антагонистических команд, лишь постепенно достигающих цели, процессы управления в живых системах, как правило, являются дискретными и периодическими. Поэтому для оценки их свойств важно знать время релаксации, которое определяет соотношение длительности переходных и установившихся режимов работы биологических систем.

В живой природе эти характеристики оказываются весьма различными по величине, но далеко превышающими таковые технических кибернетических систем. Так, переходные режимы рабочих блоков современных быстродействующих электронных вычислительных машин измеряются наносекундами, а наиболее короткое время релаксации живого механизма дает рефрактерный период проведения нервного импульса, составляющий около одной миллисекунды. Между ними оказывается тысячекратный разрыв. Однако большинство биологических систем работает гораздо медленнее нерва. Например, переходные режимы деятельности сердца и сосудов, вызванные депрессорным рефлексом, типичным для гомеостатиче-ских саморегуляций организма, длятся многие минуты, а регуляции на уровне биоценозов типа взаимного контроля численности популяций длятся месяцы и годы.

Саморегуляция имеет не только материально-энергетическую, но и информационную сторону и является таким видом движения информации, который уменьшает неопределенность системы. Особен ста информационного представления биокибернетических систем определяются прежде всего их большими размерами и богатством вероятностных внутренних связей. Например, чтобы представить количественно способность глаза человека к различению образов, которые могут возникнуть в поле зрения, то даже если упрощенно ппринимать, что каждый из 130 млн. фоторецепторов может находиться лишь в двух состояниях, мы получаем число 21^{1.3×10^8}, которое далеко выходит за пределы величин, имеющих реальное значение. Исходя из общего числа атомов в видимой Вселенной примерно 10⁷³ и полагая, что событие на атомном уровне совершается за 10^-10 с, У. Эшби (1966) подсчитал максимальное число физических событий, которые могли произойти с момента образования земной коры, и получил число 10¹⁰⁰. Это наибольшее число, характеризующее материальные процессы в нашем мире. Для записи большего числа событий не хватит атомов Вселенной. Отсюда следует нереальность описания каждого из возможных состояний сложной биологической системы для ее регулирования и неизбежность обобщенного статистического подхода к оценке этих состояний с целью решения задач переработки циркулирующей в них информации и управления этими системами. Поэтому процессы нервной деятельности описываются в понятиях статистической нейродинамики.

Механизмы эволюции и саморегуляции жизни

Выше было показано, что фундаментальным принципом живого является способность к самоорганизации, направленной на достижение все более высокой упорядоченности в борьбе с энтропией. В этом направлении и происходит эволюционное развитие мира живых существ.

Биокибернетическое определение эволюции

С точки зрения общих принципов кибернетики эволюция представляет собой процесс прогрессивной оптимизации интегральной системы жизни. Эта оптимизация происходит по указанным выше структурным, функциональным, термодинамическим, информационным и другим показателям на всех уровнях иерархической системы жизни — субклеточном, клеточном, органном, индивидуальном, видовом и биоценотическом. Наступающие на каком-либо из этих Уровней прогрессивные адаптации неизбежно вызывают взаимообусловленные изменения на всех остальных уровнях. Например, развитие физиологического механизма теплорегуляции обусловило, с одной стороны, глубокие перестройки метаболизма клеток теплокровных животных, в частности ускорение обменных процессов, а с другой стороны, вызвало коренные изменения в экологии их видов, в частности резкое увеличение ареалов обитания и снятие сезонных ограничений активной деятельности.

Однако не все уровни интегральной биологической системы равноценны по своей роли в механизме эволюции живых существ, происходящих в природе. По мнению И. И. Шмальгаузена (1961) наиболее существенным звеном, от которого как от первичного обычно начинаются эволюционные преобразования, является попу. ляция—элементарная эволюирующая единица. Именно в популяции впервые возникают перестройки, которые затем распространяются «вверх» и «вниз» по иерархической структуре жизни.

Популяция находится под непрерывным воздействием всей массы абиотических и биотических воздействий внешней среды, обозначаемой как биогеоценоз (В. Н. Сукачев, 1945). Как очень сложная система биогеоценоз также организуется на основе некоторых •общих принципов взаимодействия его элементов, из которых важным фактором эволюции является борьба за существование.

Как видно из приведенной ниже схемы, цикл эволюционных преобразований популяции начинается с воздействия биогеоценоза на популяцию путем прямого и косвенного истребления ее особей. Этот входной канал несет информацию о состоянии внешней среды. Затем происходит естественный отбор фенотипов внутри популяции и меняется наследственная структура. Путем размножения новые свойства усиливаются и генетически закрепляются. Наследственная информация реализуется в новой фенотипической форме. Наконец, преобразованная популяция образует выходной канал, несущий информацию о ее состоянии путем активной деятельности особей, захватывающих жизненные средства из биогеоценоза.

Кибернетическая схема регуляции эволюционного процесса

(по И. И. Шмальгаузену, 1961)

В зависимости от приспособительного значения наступивших изменений обратная связь через фенотип может иметь разное направление. Более приспособленные фенотипы размножаются, и эта движущая форма естественного отбора является механизмом положительной обратной связи. В случаях, когда новые фенотипы оказываются менее приспособленными, они гибнут, происходит возвращение к прежнему фенотипу, и такая стабилизирующая форма естественного отбора является механизмом отрицательной обратной связи.

Открытый характер живых систем. Для понимания процессов, протекающих в биосистеме, необходимо учитывать две стороны ее функционирования. Одна из них связана с открытым характером системы — это процессы получения, накопления, передачи и использования веществ, энергии и информации. Эти процессы обеспечивают возможность сохранения структуры, рост и выполнение всех специфических функций биологической системы.

Рис. 1. Схема потоков энергии и информации в организме (по Т. Уотермену).

Другая сторона функционирования, связанная с управлением, включает восприятие, хранение, переработку и использование информации. Информационно-управляющие механизмы в системе определяют, какие вещественные и энергетические процессы и с какой скоростью происходят в ней. Наиболее общей задачей управляющих систем организма является сохранение его основы, создание благоприятных условий для ее

функционирования при изменяющихся условиях внешней среды. Как отмечает Г. Уотермен, кибернетические механизмы для того и существуют, чтобы обеспечить стабилизацию и сохранение энергетической части организма [132].

На рис. 1 показана схема потоков энергии и информации в организме животного. Энергетическая часть организма обозначена как метаболическая система, а управляющая часть содержит три блока — генетическое управление, физиологическое управление, эффекторы.

Структура организма поддерживается механизмами генетического управления. Получая от остальных систем энергию и информацию, генетическая система управляет процессами синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма. Процессы в генетической части протекают достаточно медленно, для нее характерны долгие интервалы времени, связанные с процессами роста, становления организма и его старения, процессы регенерации тканей и другие. Поведенческие реакции организма осуществляются системой физиологического управления. Процессы в физиологических системах управления организма протекают значительно быстрее, чем в генетической. Поэтому генетическая система образует структуру биосистемы, в то время как быстрые поведенческие и физиологические процессы определяют ее функцию. Организация живого есть единство структуры и функции — устойчивости и подвижности. «То, что называется структурой, является медленным процессом большой продолжительности: то, что называют функцией, является быстрыми процессами короткой продолжительности» [121]. Таким образом, само строение биосистемы отражает две главнейшие ее характеристики — процессы обмена веществ (открытый характер живых систем) и процессы управления.